当前课程知识点:普通生物学 > 第一章 细胞生物学基础 > 第二节 细胞膜与物质的跨膜运输 > 1.2.4 小分子物质的跨膜运输
细胞要维持正常的生命活动
一方面需要不断地
吸收营养物质
同时
也要排出代谢产物或废物
另一方面
还需要调节细胞内的离子浓度
以便维持相对稳定的内环境
这些生命活动
都涉及到物质的跨膜运输
这就是这节要介绍的内容
小分子物质的跨膜运输
有三种方式
简单扩散
被动运输和主动运输
简单扩散是小分子物质
以热自由运动的方式
顺浓度梯度或顺电化学梯度
进行跨膜转运的方式
它不需要转运蛋白协助
不需要消耗能量
那么 哪些物质
可以通过这种方式来进行运输
有人用人工合成的脂双层膜
进行了物质的通透性实验
这个代表的是脂双层膜
箭头代表的是通透性的高低
实验的结果显示
脂双层的通透性
是比较低的
只有少量的疏水小分子
比如说氧气 二氧化碳和氮气
以及不带电荷的极性小分子
如甘油 苯 水分子等
可以透过脂双层
进行跨膜运输
有极性的生物大分子
和离子都是不能透过脂双层的
那么这些物质
又是如何进行跨膜运输的呢
它们们会借助生物膜上的
膜转运蛋白
进行物质运输
这种运输方式又分为两类
一类是被动运输
另外一类是主动运输
被动运输是指溶质分子
顺浓度梯度或
顺电化学梯度的运输
在膜转运蛋白的协助下的
跨膜转运方式
又称为协助扩散
由于是顺浓度梯度运输
所以 不需要消耗能量
那么 它的动力来自哪里呢
就来自物质的电化学梯度
哪些物质可以采取这种方式
被动运输呢
多种极性小分子和无机离子
包括水分子 糖 氨基酸 核苷酸
以及细胞代谢物等
都是顺电化学梯度
或顺浓度梯度
进行跨膜运输的
介导物质被动运输的
膜转运蛋白又有哪些呢
离子通道和载体蛋白都可以
关于离子通道的特点
在膜转运蛋白一节
已有具体介绍
现在我们仅简单介绍
载体蛋白介导的被动运输
以葡萄糖转运蛋白为例
人类基因组
编码了十几种葡萄糖转运蛋白
简称GLUT
构成了GLUT蛋白家族
通过构象改变 GLUT完成
葡萄糖分子的协助扩散
转运的方向
取决于葡萄糖分子的浓度
如果胞外葡萄糖浓度高于胞内
那么
葡萄糖分子就被运送到胞内
反之则向胞外转运
在小肠上皮细胞和
肾小管上皮细胞的脂膜上
都分布有葡萄糖转运蛋白
它们负责吸收葡萄糖分子
2014年5月18日
清华大学颜宁教授课题组
在Nature杂志上发文
首次报道了
来源于人的葡萄糖转运蛋白
GLUT1的晶体结构
初步揭示了其工作机制
以及相关疾病的致病机理
第三种跨膜运输方式是主动运输
主动运输
是由载体蛋白介导的
是逆浓度梯度或逆电化学梯度
由低浓度的一侧
向高浓度一侧进行跨膜转运
它是需要消耗能量的
根据能量来源的不同
主动运输又分为了三类
ATP直接供能的
ATP间接供能的
光驱动的
我们介绍前面两种
先来看ATP直接供能的
ATP直接供能的载体蛋白有
钠钾泵 钙泵和质子泵
以钠钾泵为例
也称为钠钾ATP酶
钠钾ATP酶
水解ATP产生的能量
从细胞内泵出3个钠离子
从细胞外泵入两个钾离子
结果就形成了跨细胞膜的
钠离子和钾离子的浓度梯度
以钠离子浓度来看
胞外高于胞内
以钾离子浓度来看
却正好相反 胞外低于胞内
所以 钠钾泵将钠离子
从胞内泵出 或者
将钾离子泵入胞内
都是逆电化学梯度的
都是通过水解ATP供能的
那么钠钾泵为什么要逆浓度梯度
泵送钠离子和钾离子呢
它的作用主要有三点
第一是维持细胞的膜电位
在静息状态下
细胞质膜内侧带负电
外侧带正电
也就是内负外正
因此 神经细胞受到刺激的时候
会产生动作电位
第二是为了维持
动物细胞的渗透平衡
第三可以吸收营养物质
这项功能需要与
协同转运蛋白共同完成
我们在介绍协同转运蛋白的时候
再做具体的说明
第二种主动运输方式
是间接消耗ATP的协同转运
这种转运方式是由钠钾泵
或者是质子泵
与协同转运蛋白合作完成的
分两个步骤
第一步钠钾泵或者质子泵
水解ATP产生的能量
建立了跨膜的钠离子或
氢离子的电化学梯度
第二钠离子或氢离子
顺浓度梯度回流时
释放的能量又驱动了
协同转运蛋白
逆浓度梯度主动运送
另一种离子或分子
所以
协同转运蛋白有两个结合位点
一个结合钠离子或氢离子
另一个结合其它的小分子
它可以同时运输两种物质
并将两种物质的运输偶联起来
偶联物的运输是逆浓度梯度的
与ATP驱动泵不同
协同转运是间接消耗ATP的
它直接利用的能量
是钠离子或氢离子的电化学梯度
协同转运蛋白有两类
一类是同向协同转运蛋白
另外一类是反向协同转运蛋白
小肠上皮细胞吸收葡萄糖分子
就是同向转运的例子
首先 小肠上皮细胞质膜上的
钠钾泵通过水解ATP
建立了钠离子的跨膜电化学梯度
胞外的钠离子浓度高于胞内
随后 钠离子
顺浓度梯度向胞内回流
释放的能量就驱动了葡萄糖分子
逆浓度梯度进入胞内
所以协同转运蛋白
同时结合并转运了两种物质
钠离子和葡萄糖分子
两种物质的运送方向是相同的
属于同向转运
此外 肾小管上皮细胞
吸收葡萄糖或氨基酸
也是采用钠离子
驱动的协同转运方式
反向转运
是偶联物的运输方向相反
以钠离子 氢离子
交换载体为代表
在肾小管上皮细胞的质膜上
有一种钠离子 氢离子交换载体
它的作用是将细胞内
代谢所产生的
多余的氢离子排出胞外
并重新吸收钠离子
从而维持细胞内的pH的稳定
交换的动力来自哪里呢
就来源于钠钾泵所形成的
钠离子电化学梯度
伴随着钠离子
顺浓度梯度回流到胞内
细胞就将胞内的氢离子
排出胞外
这种协同转运蛋白所运送的
两种离子是反方向的
属于反向协同转运
总之
小分子物质的跨膜运输
有三种方式
简单扩散 他不需要转运蛋白
是顺浓度梯度运送
被动运输是由通道蛋白
或载体蛋白介导的
顺浓度梯度运送
主动运输是由载体蛋白介导的
所需要的能量可直接的
或间接的来自ATP
或者是光能驱动的
总结一下
载体蛋白既可以介导主动
也可以介导被动运输
而通道蛋白只能介导被动运输
以上介绍的是小分子物质的
跨膜运输方式
而大分子物质 比如说蛋白质
多核苷酸 多糖等等
以及颗粒性物质
又是如何进行跨膜运输的呢
它们主要通过胞吞或胞吐的方式
这里不再作具体介绍
-绪论
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-第一节 细胞概述
-第一章 细胞生物学基础--第一节 细胞概述
-第二节 细胞膜与物质的跨膜运输
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-第三节 真核细胞的结构
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-第四节 细胞的能量代谢
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-第五节 细胞的分裂与分化
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-第一节 遗传的分子基础
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-第二节 基因的表达调控
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-第三节 生物技术及其应用
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-第四节 人类基因组及其遗传疾病
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-第一节 高等植物体的细胞与组织
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-第二节 植物的生长
-第三章 高等植物体的结构与功能--第二节 植物的生长
-第三节 植物的生殖和发育
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-第四节 植物的营养与运输
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-第五节 植物生长发育的调控
--3.5.6 乙烯
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-第七节 神经系统与神经调节
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